UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

MIHAEL DVORŠČAK

RASPBERRY PI IN ODDALJENI LABORATORIJ

DIPLOMSKO DELO

LJUBLJANA, 2016

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

DVOPREDMETNI UČITELJ: RAČUNALNIŠTVO - TEHNIKA

MIHAEL DVORŠČAK

Mentor: izr. prof. dr. SLAVKO KOCIJANČIČ

RASPBERRY PI IN ODDALJENI LABORATORIJ

DIPLOMSKO DELO

LJUBLJANA, 2016

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Slavku Kocijančiču za pomoč pri nastajanju

diplomskega dela, vse strokovne usmeritve in strokovno pomoč.

Zahvaljujem se svojim bližnjim, predvsem staršem in dekletu, ki so verjeli vame, tudi ko ni

svetila nobena luč na obzorju, me podpirali pri študiju in prenašali moje muhe.

Zahvaljujem se tudi svojim sošolkam in sošolcem, ki so mi popestrili študijsko obdobje.

POVZETEK

Diplomsko delo je namenjeno učiteljem Tehnike v osnovnih šolah in študentom Tehnike pri

načrtovanju inovativnih, drugačnih učnih ur ob uporabi informacijsko-komunikacijskih

tehnologij in induktivnih metod poučevanja.

V diplomskem delu je predstavljena okvirna postavitev oddaljenega laboratorija za

izobraževalne namene na podlagi računalnika Raspberry Pi. Predstavljene so uporabljene

strojne komponente, računalnik Raspberry Pi, pogosto uporabljene periferne naprave in

čutilniki ter povezava računalnika s spletom s pomočjo mobilnih podatkov. Opisana je

popularna programska podpora za računalnik Raspberry Pi, operacijski sistem Raspbian,

programski jezik Python in uporaba podatkovne baze za zbiranje merskih podatkov.

Diplomsko delo vsebuje raziskavo uporabe računalnika Raspberry Pi v izobraževanju po

svetu in umestitev tematike v slovenski izobraževalni sistem. Čisto na koncu je razložen potek

sodobnega izobraževalnega procesa in pojem oddaljenega laboratorija.

Predstavljen je okvirni načrt povezave računalnika Raspberry Pi s spletom preko mobilnih

podatkov, zajem merskih podatkov preko podatkovne baze in uporaba primernih čutilnikov za

merjenje. Diplomsko delo pušča odprtih še nekaj vprašanj za možno nadaljnjo raziskavo.

KLJUČNE BESEDE: Raspberry Pi, oddaljeni laboratorij, periferne naprave, zbiranje merskih podatkov, povezava z

mobilnimi podatki, programski jezik Python, podatkovna baza, Raspbian, naravoslovno-

tehniško izobraževanje

ABSTRACT

The thesis is intended for teachers in junior high school and students of technology education

in planning innovational and different learning lessons using information and communication

technologies and inductive methods.

In thesis is represented an indicative layout of the remote laboratory for educational purposes

on the basis of the Raspberry Pi computer. Thesis features used hardware components for this

theme, Raspberry Pi computer, its development and commonly used peripheral devices

connected to it. It also presents a way of connecting computer with internet via mobile data

connection. Next it presents software used in this project, which is represented by commonly

used software for Raspberry Pi computer, like operating system Raspbian, Python

programming language and use of database for gathering measured data. The thesis also

explores the use of Raspberry Pi computer in education around the world and offers an

indicative integration of the project into Slovenian educational system. The end presents the

modern process of education and explains the concept of remote laboratory.

Thesis features an indicative plan connecting Raspberry Pi computer to the internet via mobile

data connection, gathering measured data with database and use of sensors as peripheral

devices. Thesis leaves some questions open for possible further research.

KEYWORDS: Raspberry Pi, remote laboratory, peripheral device, collecting measurement data, mobile data

connection, Python programming language, database, Raspbian, science and technology

education

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................. 1

2 PREDSTAVITEV KOMPONENT ..................................................................................... 2

2.1 RASPBERRY PI .................................................................................................................... 2

2.2 KOMPONENTE RAČUNALNIKA RASPBERRY PI .......................................................... 3

2.3 PREDSTAVITEV MODELOV IN KOMPONENT ZA POSAMEZNI MODEL .................. 4

2.4 SPLETNA POVEZAVA RAČUNALNIKA RASPBERRY PI .............................................. 5

2.5 PRIKLOP PERIFERNIH NAPRAV ...................................................................................... 8

3 PROGRAMSKA PODPORA ZA RAČUNALNIK RASPBERRY PI ............................ 11

3.1 OPERACIJSKI SISTEM ...................................................................................................... 11

3.2 PROGRAMSKI JEZIK PYTHON ....................................................................................... 12

3.3 DOSTOP DO MERSKIH PODATKOV .............................................................................. 13

4 MOŽNOSTI ZA UPORABO V IZOBRAŽEVANJU ...................................................... 14

4.1 UPORABA RAČUNALNIKA RASPBERRY PI ZA UČENJE ........................................... 14

4.2 UPORABA RAČUNALNIKA RASPBERRY PI V ŠOLSKEM LABORATORIJU ........... 17

5 UČNE STRATEGIJE V ŠOLSKEM LABORATORIJU ................................................. 20

5.1 ODDALJENI LABORATORIJ ............................................................................................ 22

5.2 PREDSTAVITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA .................................................... 23

5.3 PRIMERI ODDALJENIH LABORATORIJEV ................................................................... 24

6 SKLEP .............................................................................................................................. 26

VIRI IN LITERATURA .......................................................................................................... 27

1

1 UVOD

Sodobni izobraževalni proces pri naravoslovno-tehniških predmetih vključuje poleg

tradicionalnega pouka, kjer se obravnava teorija, tudi praktični del, kjer lahko učenci

preizkusijo pridobljeno znanje na praktičnih primerih. S pomočjo laboratorijskih preizkusov

pa učitelj še dodatno spodbuja samostojno razmišljanje in povečuje motivacijo učencev. Prav

tako pa se v izobraževalnem procesu vse več pojavlja uporaba informacijsko-komunikacijskih

tehnologij (IKT), ki so v zadnjem času zelo hitro napredovale. Razvoj tehnologije pa je

prinesel v izobraževalni proces nove načine podajanja snovi, interaktivnosti in nove možnosti

izvajanja vaj. Tehnologija izobraževalnim institucijam omogoča nove oblike izobraževanja, ki

učencem omogočajo lažje in predvsem boljše razumevanje snovi. Ena od idej, ki se čedalje

bolj uporablja v izobraževalne namene, je uporaba oddaljenih laboratorijev, ki učečemu

omogoča dostop do laboratorijskega eksperimenta kjerkoli na svetu, tako da fizična prisotnost

v laboratoriju ni več potrebna. Potrebuje le spletno povezavo in dostop do spleta, preko

katerega lahko dostopa do oddaljenega laboratorija. Vendar je težava takih sistemov v tem, da

so finančno zahtevni za vzpostavitev. Ena od takih idej, ki je finančno dostopnejša, je opisana

tudi v nadaljevanju diplomskega dela, kjer je predstavljena uporaba oddaljenega laboratorija,

ki ima za osnovo računalnik Raspberry Pi, ki preko čutilnikov zbira merske podatke in je na

splet povezan preko mobilnih podatkov.

2

2 PREDSTAVITEV KOMPONENT

Popularna razvojna plošča Arduino Uno, ki se velikokrat uporablja pri različnih projektih

elektronike, robotike in krmiljenja naprav, je morda na videz zelo podobna računalniku

Raspberry Pi, vendar se podobnost tu konča. Za Arduina bi lahko rekli, da je le navaden

mikrokrmilnik, ki je dobro zapakiran na integriranem vezju z dodanimi vhodno-izhodnimi

pini, tako da je lažje nanj priklopiti različne elektronske komponente, razširitve. Programsko

opremo Arduina sestavljata programski jezik in prevajalnik [1]. Razlika med Raspberry Pi in

Arduinom je v tem, da je Raspberry Pi bolj računalnik kot mikrokrmilnik, saj za delovanje

potrebuje operacijski sistem. Prav tako pa lahko nanj preko USB-vhodov priklopimo periferne

naprave, kot sta tipkovnica in miška, ter preko HDMI-vhoda monitor, saj vsebuje Raspberry

Pi še grafično procesno enoto [2]. Lahko bi rekli, da je Arduino bolj primeren za uporabo v

strojnih projektih. En primer skupne uporabe je, da ju združimo in uporabimo skupaj v

projektih. Primer uporabe je povezava gospodar (angl. master) – suženj (angl. slave), kjer je

Raspberry Pi gospodar in nadzoruje Arduina, ki deluje kot suženj in izvršuje ukaze. Tak

primer je krmiljenje elektromotorjev (kot primer je navedeno v poglavju 4, slika 4.2).

2.1 RASPBERRY PI

Raspberry Pi oziroma če bi prevedli v slovenščino, malinova pita, je serija enoploščnega

računalnika, ki je malo večji od kreditne kartice. Razvit je bil s strani fundacije Raspberry Pi v

Združenem kraljestvu Velike Britanije in Severne Irske z namenom spodbujanja poučevanja

osnov računalništva in osnov programiranja v šolah in državah v razvoju. Leta 2008, ko so

procesorji za mobilne telefone postali dovolj močni in cenovno ugodni, so razvijalci projekta

razvili nekaj prototipov, ki so skupaj predstavljali prvo generacijo računalnika Raspberry Pi,

ki je izšla leta 2012. Izšel je v dveh različicah; model A, ki predstavlja okrnjeno različico, in

model B, ki je bolj izpopolnjen. Kasneje so razvili še bolj okrnjeno in fizično manjšo verzijo,

imenovano Pi zero [2].

Celoten projekt je bil zasnovan z namenom, da ponudijo svetu računalnik, ki bo na tržišču

dosegal ceno med 20 in 35 USD. Zaradi svoje cenovne dostopnosti in vsestranske uporabnosti

je kaj kmalu postal priljubljena platforma za širšo javnost. Uradni zastopnik za prodajo mini

3

računalnikov za Slovenijo je IC Elektronika. Trenutno je na tržišču tretja generacija,

Raspberry Pi 3 (slika 2.1), ki je izšla februarja 2016, in je na voljo pri IC Elektroniki za dobrih

43 EUR [3].

Slika 2.1: Raspberry Pi, model B [2]

2.2 KOMPONENTE RAČUNALNIKA RASPBERRY PI

Vsi modeli delujejo na osnovi integriranega vezja Broadcom system on a chip (SoC), ki

vsebuje ARM-centralno procesno enoto (CPU), integrirano grafično procesno enoto (GPU),

delovni pomnilnik (RAM) v velikosti od 256 MB do 1 GB RAM. Vsi modeli vsebujejo še

USB-vhode, HDMI-priklop in prostor za SD- ali mikro SD-pomnilniško kartico, 3,5

milimetrski avdio priključek in Ethernet vhod za internetni kabel s priključkom RJ45. Video

krmilnik podpira standardne resolucije vse do HD (1280 x 720) in FullHD (1920 x 1080),

vendar na žalost ne podpira dekodiranja H.265. Na vse modele je možno priklopiti periferne

enote, tipkovnico in miško z USB-priklopom [2].

4

2.3 PREDSTAVITEV MODELOV IN KOMPONENT ZA POSAMEZNI

MODEL

Model A v prvi generaciji je izšel leta 2013 s ceno na trgu okoli 25 USD. Temelji na

Broadcom BCM2835 SoC-integriranem vezju z nameščenim 32-bitnim enojedrnim ARMv6-

procesorjem s hitrostjo ure 700 MHz (ARM1176JZF-S), grafično procesorsko enoto

VideoCore IV in RAM-om velikosti 256 MB. Za priklop perifernih naprav vsebuje le en

USB-vhod. Video vhod predstavlja 15-pinski MIPI camera interface konektor, videoizhod pa

predstavlja HDMI-priključek, ki podpira tudi avdio izhod. Standarden 3,5-milimetrski avdio

priključek je namenjen še kot dodaten avdio izhod za priklop avdio naprav. Za shranjevanje

ima prostor za SD-, MMC- ali SDIO-pomnilniško kartico. Vsebuje 8 splošnih

vhodno/izhodnih pinov (V/I-pinov) (angl. GPIO pins), UART-povezavo, I²C bus, SPI bus in

napajalne pine za +3,3 V, +5 V ter ozemljitev. Kasneje je izšel še novejši model generacije

1+, ki ima večje število splošnih V/I-pinov (povečano na 17 pinov), za pomnilniški prostor pa

uporablja le MicroSDHC-pomnilniško kartico in ima RAM, povečan na velikost 512 MB [2].

Model B je izšel leta 2012 s ceno okoli 35 USD [2], pri nas 30 EUR [3], in je imel enako

integrirano vezje kot model A. Razlika je le v RAM-pomnilniku, ki ima 512 MB, prav tako so

povečali število USB-vhodov iz enega na dva. Dodan ima integrirani spletni priklop 10/100

Mbit/s Ethernet in nudi podporo za USB-modem, ki se ga priključi v USB-vhod. Pri kasnejši

izdaji generacije 1+ so spremenili pomnilniški prostor v MicroSDHC-pomnilniško kartico,

dodali 4 USB-vhode ter 17 splošnih V/I-pinov [2].

Druga generacija, ki je izšla leta 2015, je bila nadgradnja prve generacije. Izdali so le model

B, ki je imel ceno okoli 35 USD [2], pri nas 40 EUR [3]. Temelj arhitekture je bilo integrirano

vezje Broadcom BCM2836 z 32-bitnim ARM Cortex-A7 4-jedrnim procesorjem, ki tiktaka z

900 MHz. V primerjavi s predhodno generacijo modela B so izboljšali še RAM na velikost 1

GB [2].

Tretja generacija je bila nadgradnja druge generacije. Izšla je leta 2016 kot model B s ceno 35

USD [2], pri nas 43 EUR [3]. Deluje na arhitekturi Broadcom BCM2837, poganja ga 4-jedrni

ARM Cortex-A53 64-bitni procesor z 1,2 GHz. Velikost RAM-a in grafični procesor sta

ostala enaka. Pri nadgradnji so dodali še integriran 10/100 Mbit/s Ethernet, integriran modul

za brezžično povezavo 802.11n in Bluetooth 4.1 [2, 3].

5

Raspberry Pi Zero je izšel leta 2015 s ceno le borih 5 USD. Arhitekturo ima podobno kot

model A iz prve generacije, le CPU deluje s hitrostjo 1 GHz in ne 700 MHz. Prav tako pa

uporablja RAM velikosti 512 MB. Vsebuje en Micro-USB-vhod, Mini-HDMI za video izhod

in kamero MIPI camera interface pine za videovhod, avdioizhod v Mini-HDMI-vhodu in

prostor za MicroSDHC pomnilniško kartico. Vsebuje 40 splošnih V/I-pinov in je po velikosti

najmanjši izmed modelov [2].

2.4 SPLETNA POVEZAVA RAČUNALNIKA RASPBERRY PI

Povezava računalnika Raspberry Pi s spletom in posledično odjemalcem je mogoča na

različne načine. Pri prvi generaciji potrebujemo napajan adapter za priklop spletnega

priključka, USB-ethernet ali Wi-Fi adapterja. Od druge generacije naprej (opisano v poglavju

2.3 Predstavitev modelov) pa vsebujejo računalniki integrirano vezje, ki že omogoča priklop

adapterjev brez dodatnega napajanja. Za realizacijo povezave s spletom v nekem oddaljenem

kraju, kjer ni internetnega priklopa, lahko kot rešitev uporabimo povezavo z mobilnimi

podatki, ki omogočajo povezavo računalnika s spletom.

Kot prvo rešitev za povezavo računalnika Raspberry Pi druge in tretje generacije na splet

lahko uporabimo USB-modem Huawei (slika 2.2), ki ga trenutno ponuja Telekom Slovenije

[4], ali katerikoli drug podoben modem, ki deluje s pomočjo SIM-kartice in mobilnih

podatkov. Trenutna hitrost, ki jo zagotavljajo mobilni operaterji po Sloveniji, je LTE, znan

tudi pod imenom 4G [5].

Pri uporabi USB-modema je treba opozoriti, da je za priklop USB-modema dobro uporabiti

dodatno napajanje ali USB-hub z dodatnim napajanjem, saj osnovno Raspberry Pi napajanje

USB-izhodov ne zadošča za popoln izkoristek modema, kar se kaže s težavami pri povezavah,

večjih od 3G, kjer enostavno zmanjka moči za delovanje modema in zato pride do izpada

povezave.

6

Slika 2.2: USB-modem Huawei [4]

Druga rešitev, predvsem ob uporabi tretje generacije računalnika Raspberry Pi, ki že ima

integriran brezžični modul, bi bila uporaba brezžičnega usmerjevalnika z mobilno dostopno

točko (slika 2.3), imenovanega tudi mobilna Wi-Fi dostopna točka [6]. Povezavo s spletom

vzpostavi preko mobilne povezave, kar pomeni, da za delovanje prav tako potrebuje SIM-

kartico in da smo še vedno neodvisni od fizične povezave. Namesto da ga priključimo preko

USB-vhoda na računalnik, modem deluje tako kot Wi-Fi dostopna točka in pošilja signal

računalniku preko brezžične povezave. Tako lahko naš Raspberry Pi računalnik povežemo z

modemom preko brezžičnega signala. Dobro pri uporabi te možnosti je to, da bi bili lahko na

nekem območju, kjer ni mobilnega signala, in bi lahko s pomočjo tega modema našli signal na

višji legi ter ga poslali nekaj 10 metrov stran oddaljenemu računalniku Raspberry Pi. Tako bi

dosegli še večjo avtonomnost našega laboratorija in povezljivosti do spleta. Dobro je omeniti,

da je oddaljenost oddajanja Wi-Fi signala odvisna od modela modema za dostopno internetno

točko [6]. Nekateri modemi ponujajo tudi napajanje preko baterij, vendar le za nekaj časa, kar

pa za nas ni pomembno, ker potrebujemo napajanje že za računalnik Raspberry Pi, in tako

lahko zaključimo, da imamo zagotovljeno napajanje tudi za modem.

7

Slika 2.3: Brezžični usmerjevalnik Huawei [6]

Pri uporabi druge rešitve, to je povezava z modemom z mobilno Wi-Fi dostopno točko, za

drugo generacijo računalnika Raspberry Pi, ki ne vsebuje integriranega brezžičnega modula,

bi morali uporabiti še Wi-Fi adapter (slika 2.4), imenovan Wi-Pi, ki je narejen posebej za

računalnike Raspberry Pi. S pomočjo Wi-Pi adapterja, ki se ga priklopi preko USB-vhoda,

računalniku omogočimo Wi-Fi povezavo z našim modemom [7].

Slika 2.4: Wi-Pi adapter za Wi-Fi [7]

Za vzpostavitev povezave je treba pri nekaterih računalnikih Raspberry Pi nastaviti vrata (po

navadi port 80 [8]) in spremeniti nastavitve USB-modema, da ga bere kot spletni priklop in ne

kot pomnilno enoto, saj nekateri USB-modemi omogočajo shranjevanje na pomnilno kartico.

8

2.5 PRIKLOP PERIFERNIH NAPRAV

Vsi modeli računalnika Raspberry Pi vsebujejo V/I-pine (angl. GPIO pins) in ostale

priključke, na katere je možno priklopiti periferne naprave, ki bi jih potrebovali za

vzpostavitev oddaljenega laboratorija. Če pa slučajno nimamo dovolj GPIO-pinov, se da

dobiti še podobne tako imenovane razširitvene module (angl. Shield), ki so bili zasnovani

posebej za računalnike Raspberry Pi. Zgledujejo se po modulih Shield za mikrokrmilnik

Arduino UNO. Obstaja več različnih vrst razširitvenih integriranih vezij (modulov Shield), ki

se med seboj razlikujejo po priključkih, vhodih in izhodih, odvisno od tega, katerega

potrebujemo za naš projekt. Različne module lahko najdemo na spletni strani [9].

Sicer obstaja že veliko senzorjev, ki so posebej narejeni za računalnik Raspberry Pi, a lahko s

pomočjo GPIO-pinov brez težav, z nekaj osnovnega znanja elektronike, priklopimo ostale

stvari, kot so LED-diode, senzor osvetljenosti, termistor itn., se pravi različne čutilnike, ki bi

jih potrebovali za vzpostavitev oddaljenega laboratorija. Raspberry Pi omogoča povezavo

perifernih naprav preko I2C-, SPI- in UART-protokola [2].

Za zajem slike uporabimo kamero Raspberry Pi camera module v2, ki vsebuje Sonyjev 8-

megapikselni senzor (slika 2.5). Z njim lahko zajemamo visokoločljivostne fotografije ali

videe (full HD, 1080 p). Priključimo ga neposredno na namenske konektorje, ki se nahajajo

na plošči računalnika Raspberry Pi [10].

Slika 2.5: Kamera Raspberry Pi modul [10]

9

Za merjenje vlage in temperature ozračja lahko uporabimo DHT22-čutilnik (slika 2.6), ki je

primeren za uporabo tako na mikrokrmilniku Arduino kot na računalniku Raspberry Pi. S

čutilnikom lahko merimo temperaturo in vlago. Je preprost za priključitev na računalnik

Raspberry Pi, saj pošilja digitalne signale, zato ne potrebuje analogno-digitalnega pretvornika

za komunikacijo z Raspberry Pi-jem in je primeren za napetost 3–5 V, ki jo zagotavlja

Raspberry Pi [11].

Slika 2.6: DHT22-čutilnik za merjenje temperature in vlage [11]

Za detekcijo plinov lahko uporabimo čutilnik Wavesahre MQ-2 (slika 2.7), ki omogoča

detekcijo plinov propan, LPG in vodik. Čutilnik je združljiv tako z mikrokrmilnikom Arduino

kot z računalnikom Raspberry Pi. Proizvajalec SainSmart ponuja še več različnih čutilnikov,

ki zaznavajo različne vrste plinov, tako da lahko izberemo tistega, ki ga potrebujemo za naš

projekt. Vsi pa so dovolj poceni in enostavni za uporabo v šolstvu [12].

Slika 2.7: Čutilnik za pline MQ-2 [13]

10

Za merjenje sile lahko uporabimo uporovni listič ali uporovni silomer (angl. Force-Sensitive

Resistor (FSR)). To sta senzorja, ki mehansko silo spremenita v elektronski signal. Delujeta

tako, da sila, ki deluje na čutilnik, spreminja njegovo specifično upornost [14]. Za njuno

uporabo pa nujno potrebujemo še analogno-digitalni pretvornik, da bo lahko naš računalnik

Raspberry Pi prebral analogne signale, ki mu jih bo pošiljal čutilnik [2].

Za merjenje gostote magnetnega polja lahko uporabimo Hallov čutilnik, ki ga vežemo na

GPIO-pine. Hallov čutilnik deluje tako, da ko se čutilniku približamo z magnetnim poljem, na

nosilce toka prične delovati magnetna sila. Naboji se ustavijo na robu ploščice, kar povzroči,

da se ustvari prečno električno polje. Ustvari se električna napetost med obema stranema

ploščice, ki ji rečemo Hallova napetost. To lahko merimo [14].

Seveda so tu našteti le nekateri najbolj uporabljeni čutilniki, s katerimi bi se lahko srečali

učenci v šoli. Uporabili bi lahko tudi elektromotorje ali LED-diode, ki jih vežemo na GPIO-

pine. Omenjeni so že sestavljeni čutilniki, ki so že del sestavljenega elektronskega vezja.

Seveda lahko uporabimo vse čutilnike, ki jih lahko najdemo v elektroniki in jih učenci lahko s

pomočjo različnih komponent sestavijo sami. Lahko rečemo, da so ustrezni vsi čutilniki, ki

računalniku preko vodil pošiljajo podatke oziroma nek elektronski signal, ki ga lahko beremo.

Pri njihovi uporabi je treba le paziti, da jih primerno uporabimo glede na okolje in

spremenljivke, ki jih želimo meriti.

11

3 PROGRAMSKA PODPORA ZA RAČUNALNIK RASPBERRY PI

Ker je Raspberry Pi računalnik, za samo delovanje potrebuje operacijski sistem, ki upravlja s

strojno in programsko opremo računalnika. In kot lahko že sklepate iz prejšnje povedi, na

računalniku najdemo tudi programsko opremo; vse od urejevalnikov besedil in

multimedijskih programov do programskih jezikov, s pomočjo katerih lahko napišemo svoje

programe in jih izvajamo.

3.1 OPERACIJSKI SISTEM

Kot primarni podprt operacijski sistem je za računalnik Raspberry Pi operacijski sistem

Raspbian, ki temelji na distribuciji sistema Debian in je optimiziran za delovanje na

računalniku Raspberry Pi. Operacijski sistem vsebuje nekaj osnovnih programov in

pripomočkov za delo z vodili ter že prednaložen programski jezik Python 2.7 in 3.4 [15].

Vendar lahko na kasnejše generacije (od generacije 2 naprej) naložimo še druge operacijske

sisteme, njihov seznam lahko najdemo na spletni strani [2]. Med njimi se najdejo tudi bolj

znane platforme Ubuntu in Microsoftov Windows 10 IoT, nedolgo nazaj pa se jim je pridružil

še Googlov operacijski sistem Android. Pri tem je dobro opozoriti, da noben model

računalnika Raspberry Pi ne deluje s tradicionalnim operacijskim sistemom Microsoft

Windows [2].

12

3.2 PROGRAMSKI JEZIK PYTHON

Fundacija Raspberry Pi podpira uporabo programskega jezika Python, ki je že kot osnova

vdelan v računalnik Raspberry Pi kot ukazna lupina. Zato za programiranje v jeziku Python in

zagonu programov na računalniku Raspberry Pi ni treba ničesar posebej nalagati, na primer

tolmača ali kakšnega drugega orodja za delovanje in zagon programov. Seveda podpira tudi

druge programske jezike, kot so C/C++, PHP, Java ipd., vendar je treba pri teh jezikih

namestiti dodatno programsko opremo, da lahko izvajamo programe, napisane v njih [2].

Python spada pod tako imenovane skriptne jezike, programi v njem so lepo berljivi, zato je

primeren za učenje programiranja, saj se učeči uči razmišljati kot programer, ni se mu pa treba

ukvarjati s sintaktično navlako in samimi triki določenega programa. Vendar berljivost

programske kode ne gre na račun hitrosti programiranja, saj so visokonivojske podatkovne

strukture tesno vdelane v jezik, svoje pa dodajo še že napisani moduli, zato je programiranje

zelo hitro. Jezik je predmetno usmerjen, brez neobjektnih »primitivov« in podobnih

kompromisov [16].

Da je Python priljubljen jezik, kaže širok spekter uporabe jezika za izdelavo skript za Linux,

izdelavo spletnih aplikacij (najbolj opazen YouTube), prav tako pa je poleg JavaScripta in C-

ja eden izmed treh uradnih jezikov Googla. Za film Vojna zvezd so prav tako z njegovo

pomočjo izdelali vizualne učinke. Edina slabost Pythona je hitrost izvajanja. Ker se kodo

prevaja za navidezni stroj, je hitrejši od skriptnih jezikov, ki tega ne počno, a se obenem ne

more kosati z jezikom, kot je Java, kaj šele s C-jem [16].

V sistemih, ki temeljijo na sistemu Linux, se Python navadno namesti že kar samodejno, prav

tako pri našem operacijskem sistemu Raspbian. Dobro je edino dodatno naložiti še nekaj

paketov, ki nam bodo obogatili že naloženo knjižnico Python.

13

3.3 DOSTOP DO MERSKIH PODATKOV

Za zapis merskih podatkov je treba imeti nekakšno bazo, ki bo shranjevala vse podatke

senzorjev in do katere bomo potem lahko dostopali ter pogledali izmerjene meritve. Obstaja

kar nekaj podatkovnih baz, najbolj izpostavljeni sta SQLite in MySQL. Obe podatkovni bazi

sta odprtokodni, uporabljata standardno sintakso jezika SQL in se ju da uporabiti na

računalniku Raspberry Pi. Baza MySQL je bolj prilagodljiva, z njo se lažje upravlja

uporabnike ter dovoljenja in je primernejša za območja z gostejšim prometom [17, 18].

Vendar je velika razlika med knjižnicama v tem, da je SQLite nekoliko bolj primerna za

manjše naprave in samostojne aplikacije ter da MySQL deluje na principu strežnik–

odjemalec, pri čemer je sistem lahko porazdeljen na več strežnikov. Zato je za naš projekt

nekoliko bolj privlačna uporaba podatkovne baze SQLite, saj ne zavzame veliko prostora, je

sistemsko nezahtevna in se jo da lepo vključiti v sistem. Vendar je najpomembnejše, da je

enostavna za uporabo in nastavitev, zato je primerna za učence, ki se šele učijo uporabe

podatkovnih baz in njihovih osnov. SQLite se prav tako ponaša z lokalnim shranjevanjem

podatkov v datoteko, saj ne uporablja ločenega strežniškega procesa za samo delovanje [19,

20].

14

4 MOŽNOSTI ZA UPORABO V IZOBRAŽEVANJU

Kot je bilo omenjeno že v drugem poglavju, je Raspberry Pi nastal z namenom spodbujanja

poučevanja osnov računalništva in osnov programiranja v šolah ter državah v razvoju. V

šolstvu je namenjen učenju programiranja digitalno krmiljenih naprav in osnovnemu

spoznavanju učenja konceptov programiranja s pomočjo programa Scratch ali programskega

jezika Python, ki prideta prednaložena v operacijskem sistemu Raspbian. Za razliko od

priljubljenega mikrokrmilnika Arduino UNO, ki se ga prav tako veliko uporablja v

izobraževanju in podpira le programska jezika Bascom in C/C++ [1], je mogoče na računalnik

Raspberry Pi implementirati več različnih programskih jezikov [2]. Večinoma se uporaba

računalnika Raspberry Pi najde v temah za učenje programiranja, robotike, krmiljenja in

elektronike.

4.1 UPORABA RAČUNALNIKA RASPBERRY PI ZA UČENJE

Uporaba računalnika Raspberry Pi v izobraževanju je zelo razširjena, saj je na spletu mogoče

najti veliko različnih projektov, ki so dobro pripravljeni in dokumentirani. Fundacija

Raspberry Pi se zavzema za večjo razširjenost in uporabo računalnika Raspberry Pi v

izobraževalne namene, zato razvijajo in iščejo inovativne ter zanimive projekte, ki

izboljšujejo razumevanje in izobraževanje na področju računalništva za otroke, stare med 5 in

18 leti [21]. Veliko različnih projektov, ki vsebujejo že v naprej pripravljeno vso

dokumentacijo za izvedbo učne ure in vse že prej pripravljene vaje, se nahaja na domači

spletni strani fundacije Raspberry Pi [22]. Nekaj se jih najde tudi v knjigi Getting Started with

Raspberry Pi [23].

Fundacija Raspberry Pi je leta 2014 podprla projekt poučevanja računalništva v daljni Indiji,

kjer sta profesorja univerze v Cambridgeu in fundacija Hunnarshala priredila delavnice za

dijake, stare od 6 do 19 let. Dijaki so imeli malo izkušenj z računalništvom, po učenju

uporabe tipkovnice so sledile ure programiranja in delo z elektronskimi komponentami. Po

koncu delavnic so bili učenci sposobni sprogramirati nekaj osnovnih programov (risanje

15

likov), povezovati elektronska vezja in upravljati elektronske komponente s pomočjo

računalnika Raspberry Pi [24].

Istega leta so organizirali delavnice za učenje učiteljev o uporabnosti računalnika in njegovem

vključevanju v učilnice. Dogodek, imenovan Picademy, je dvodnevni tečaj, ki ponudi

učiteljem vpogled v to, kaj vse je mogoče narediti s pomočjo računalnika Raspberry Pi. Tečaj

je sestavljen iz več delavnic, kjer učitelji spoznajo načine vključevanja računalništva v

učilnice po vsem svetu. Delavnice vključujejo nadzor elektronskih komponent, kot so LED-

diode, kodiranje glasbe s pomočjo vmesnika Sonic Pi, krmiljenje in sestava robotov itn. (slika

4.1). Udeležijo se ga lahko učitelji za osnovno, srednje ali višje izobraževanje. Cilj tečaja je

učiteljem ponuditi pedagoško znanje, strategije in ideje za uporabo v izobraževanju. Picademy

se trenutno izvaja le v Združenem kraljestvu Velike Britanije in Severne Irske ter Združenih

državah Amerike, vendar so vse lekcije, uporabljene na tečaju, prosto dostopne na domači

spletni strani fundacije Raspberry Pi [22, 25].

Slika 4.1: Robot, ki ga krmilimo s pomočjo računalnika Raspberry Pi [25]

Veliko projektov in idej za učenje robotike ter krmiljenja naprav lahko najdemo na spletni

strani fundacije [26]. Med njimi lahko na primer najdemo CNC-stroj za sajenje in uporabo v

kmetijstvu, ki deluje s pomočjo računalnika Raspberry Pi, ki je povezan z mikrokrmilnikom

Arduino Mega (slika 4.2) [27]. Samovozno vozilo, katerega osnova je avtomobil na daljinsko

16

upravljanje, upravlja ga računalnik Raspberry Pi, ki s pomočjo čutilnikov, kamere Raspberry

Pi in ultrazvočnega čutilnika zaznava okolico [28].

Slika 4.2: Uporaba računalnika Raspberry Pi in Arduina, ki sta povezana kot gospodar–suženj [27]

Raspberry Pi ni razširjen le v tujini kot izobraževalna platforma. Pri nas se lahko z njim

srečajo učenci na poletni šoli Fakultete za računalništvo in informatiko, kjer spoznajo

upravljanje avtomobila, vetrnico in upravljanje domačega akvarija, luči v hiši itn. [29].

Uporaba računalnika Raspberry Pi se nadaljuje še v višješolskem izobraževanju, saj veliko

različnih univerz na različne načine vključuje uporabo računalnika Raspberry Pi v svoj

izobraževalni sistem; vse od platforme za učenje programiranja, projektov za učenje

elektronike in tem iz robotike do uporabe kot oddaljenega laboratorija. Primer je uporaba

računalnika Raspberry Pi, ki deluje kot oddaljeni laboratorij in omogoča študentom učenje

programiranja s pomočjo programskega jezika Python. Univerza na Azorih in univerza v

Coimbri s Portugalske sta v sodelovanju razvili sistem, ki temelji na spletni platformi Moodle

in je namenjen študentom CS1- in CS2-izobraževalnega kurikula [30]. Univerza na Češkem

uporablja poseben sistem, ki sestavlja mikrokrmilnik Arduino in računalnik Raspberry Pi, in

je namenjen učenju industrijskega programiranja krmilnikov. Za delovanje uporablja

povezana mikrokrmilnik in računalnik, ki delujeta na platformi REX-krmilnega sistema [31].

17

Obstajajo tudi tekmovanja Raspberry Pi, kjer učenci tekmujejo v reševanju problemov. Eno

takih tekmovanj je PA Consulting Raspberry Pi Competition, ki ponuja tri tekmovalne

kategorije; prva kategorija je za učence do 11 let, druga za 11–16 let in tretja za 17–18 let

[32].

4.2 UPORABA RAČUNALNIKA RASPBERRY PI V ŠOLSKEM

LABORATORIJU

Tematiko oddaljenega laboratorija lahko v učni proces implementiramo na dva različna

načina. Prvi način bi bil sama uporaba že obstoječega oddaljenega laboratorija, medtem ko bi

bil drugi način učenje o komponentah in programskih rešitvah in sama izdelava ter sestava

oddaljenega laboratorija. Pri prvem načinu bi uporabili oddaljeni laboratorij za zbiranje

merskih podatkov in vključitev v laboratorijski del pouka. Učitelji in učenci bi tako le

dostopali do sistema in merskih podatkov, ki bi jih sistem beležil. Uporabili bi ga lahko tudi

za izvajanje simulacij, učenje programiranja ali katerokoli drugo vrsto simulacij, ki

vključujejo učenje na določenem sistemu. Za samo uporabo učenci ne bi rabili dodatnega

znanja elektronike, robotike ali računalništva in informacijsko-komunikacijskih tehnologij, ki

so osnova v ozadju delovanja sistema. Oddaljeni laboratorij bi tako lahko uporabili pri

predmetih Kemija, Fizika, Biologija in Tehnika ter izbirnih tehniških predmetih, kot so

Elektronika z robotiko in Robotika v tehniki.

Drugi način pa bi vključeval uporabo tematike kot induktivne učne metode pri pouku

naravoslovno-tehniških predmetov, kjer bi učenci s pomočjo induktivnih metod izvedli

projekt in sestavili oddaljeni laboratorij ter vzpostavili vso potrebno komunikacijo s

posameznimi elementi. Učitelj bi deloval kot njihov mentor in bi sodeloval pri uri, odvisno od

izbrane stopnje induktivne metode. Učenci bi se pri izvedbi tematike srečali s temami

elektronike, robotike, mehatronike in računalništva. Zaradi same težavnosti projekta je

smiselna uvedba tematike v izbirne predmete, kot so Elektronika z robotiko, Robotika v

tehniki in izbirni računalniški predmeti. Iz učnega načrta za predmete je mogoče razbrati, da

operativni učni cilji pokrijejo skoraj vsa potrebna znanja, ki bi jih učenci morali osvojiti za

izvedbo projekta.

18

Vsebina izbirnega predmeta Elektronika z robotiko obravnava delovanje elektronskih vezij,

digitalno in analogno izražanje podatkov, fizikalne in tehnične lastnosti senzorjev, osnove

regulacije in vodenja procesov, osnovne pojme informatike in prenašanje podatkov ter

povezanost elektronike in robotike. Pri predmetu se učenci srečajo s tranzistorjem, diodo,

kondenzatorjem in z osnovnim programiranjem. Pri programiranju se učijo upravljanja in

povratnih zank. Pri tematskem delu robotike se srečajo še z elektromotorji in uporabijo tipala

za komunikacijo z okolico [34].

Pri predmetu Robotika v tehniki je vsebinski poudarek na računalniško krmiljenih strojih in

napravah v robotiki. Učenci pridobijo znanje o konstrukciji robotskih rok, elektronskem

krmiljenju in čutilnikih ter orientaciji robotov v okolici. Tako se učenci seznanijo s pomenom

in vlogo robotike v naših življenjih [35].

Tako bi pri teh dveh predmetih, Elektronika z robotiko in Robotika v tehniki, lahko

obravnavali dele projekta za oddaljeni laboratorij, ki vključujejo uporabo različnih senzorjev,

uporabo elektromotorjev in samo povezavo vseh elektronskih komponent med seboj.

Izbirni predmeti iz računalništva; Urejanje besedil, Računalniška omrežja in Multimedija,

učence spodbudijo k spoznavanju osnovnih pojmov računalništva in vloge računalniških

tehnologij v sodobni družbi. Pridobijo temeljna znanja, spretnosti in navade za učinkovito ter

uspešno uporabo sodobnih računalniških tehnologij in razvijajo komunikacijske zmožnosti.

Pri predmetih se učenci srečajo s pojmom informacija, programsko in strojno opremo

računalnika, uporabo različnih računalniških programov in spoznajo, kaj je to grafični

vmesnik. Naučijo se izdelati preprosto spletno stran in našteti različne medije za predstavitev

informacije [36]. V učnem načrtu so sicer še operativni učni cilji, ki obravnavajo tematiko

programiranja, vendar menim, da večina šol do te tematike ne pride oz. tisti, ki pridejo,

vzamejo le neke osnove. Pri predmetih iz računalništva bi malo težje implementirali projekt

oddaljenega laboratorija, saj bi nam primanjkovalo znanja programiranja in osnov o

podatkovnih bazah, ki jih učni načrt na žalost ne zajema. Pri sintezi vseh predmetov pa bi

lahko dosegli rezultate na področju izdelave oddaljenega laboratorija, saj bi lahko lepo

implementirali znanje, pridobljeno iz predmetov, v sam projekt. Edina težava bi morda lahko

bilo sodelovanje med učitelji v primeru, da vsak predmet poučuje drug učitelj.

19

Za izdelavo projekta v osnovni šoli bi potrebovali naslednje elemente in strojno opremo:

- računalnik Raspberry Pi tretje generacije, ki je opisan v drugem poglavju;

- USB-modem s SIM-kartico za povezavo z mobilnim omrežjem ali mobilno dostopno

točko, oboje je opisano v drugem poglavju;

- napajalnik za napajanje računalnika in USB-modema, to sta lahko različna napajalnika

ali en napajalnik, ki zagotavlja dovolj moči;

- čutilnike, ki se razlikujejo glede na zahteve projekta oziroma področje raziskovanja

oddaljenega laboratorija.

20

5 UČNE STRATEGIJE V ŠOLSKEM LABORATORIJU

Pri učenju naravoslovno-tehniških predmetov se učence pogosto vključuje v izvajanje

praktičnih poskusov v laboratoriju, kjer krepijo svoje znanje in preizkusijo teoretično znanje v

praktičnih primerih. Učitelj s pomočjo laboratorijskih preizkusov krepi spodbujanje

samostojnega razmišljanja in povečuje motivacijo učencev za določeno tematiko [37].

Pri izvedbi tradicionalnih laboratorijskih vaj poteka interakcija med uporabnikom in

eksperimentom preko fizičnega kontakta uporabnika z laboratorijsko opremo in posledično

izvajanjem eksperimenta, kjer uporabnik s pritiskanjem stikal, vrtenjem in premikanjem

vzvodov ipd. vpliva na potek eksperimenta (slika 5.1). Preko dejanj, ki jih izvede s pomočjo

fizičnega premikanja rok, dobi uporabnik rezultate eksperimenta za katerokoli izmed petih

čutil (vid, tip, voh, okus ali sluh) [37].

Slika 5.1: Interakcija uporabnik –laboratorijsko okolje [37]

Sodobni izobraževalni procesi se zaradi vse večje uporabe informacijske in komunikacijske

tehnologije, ki na vseh področjih prinaša številne spremembe, soočajo z izzivi, kako čim bolje

uporabljati informacijsko-komunikacijske tehnologije v učnem procesu. Tako čedalje bolj

prehajamo iz tradicionalnega učenja k e-izobraževanju. Vključitev e-izobraževalnih orodij

ponuja učencem prehod od tradicionalnega učenja k induktivnim metodam učenja. Vse od

konstruktivističnega učenja (angl. constructivistic learning) do metod, kjer mora učenec

odkrivati rešitve problemov in kjer učenec najprej sam odkriva in oblikuje svoje znanje z

delom na praktičnih primerih ter jih nato v skupini preveri z rezultati drugih in tako dodatno

razrešuje probleme (angl. learning by doing) [38].

21

Učenci se tako naučijo reševanja zapletenih primerov in pristopa k problemu. Tega razčlenijo

na več podproblemov in ga tako rešijo z več perspektiv in na več načinov, medtem ko

tradicionalni učni proces od njih zahteva le zapomnitev dejstev. Pri naravoslovno-tehniških

predmetih so pomemben del učnega procesa laboratorijske vaje, saj tržišče oziroma industrija

pričakuje od izobraževalnih institucij, da učenci tekom izobraževanja pridobijo praktična

znanja na sistemih, s katerimi se bodo pozneje srečali. Zato morajo biti vaje v laboratoriju

ustrezno pripravljene in oblikovane [38].

Torej vaje v laboratoriju potekajo tako, da imajo učenci možnost pridobivanja znanja s

pomočjo dela na konkretnih eksperimentih in sistemih, s pomočjo katerih pridobijo podatke,

na katerih kasneje izvedejo analizo ali ugotovijo stanje sistema. Vendar je takšen način

laboratorijskega dela časovno zahteven in zahteva fizično prisotnost tako učenca kot

učiteljskega kadra, da ne omenjamo prilagoditev datumov in ur izvedbe vaj, kar predstavlja še

dodaten problem pri časovni uskladitvi z več učenci. Takšen način dela je tudi finančno

zahteven za institucijo, saj je treba za vsakega učenca zagotoviti ustrezno laboratorijsko

opremo, da lahko vsi učenci prisostvujejo pri vaji. Zato se v zadnjem času vse bolj

uveljavljajo s spletom podprti pristopi, ki učencem omogočajo dodatne možnosti za

pridobivanje znanja na eksperimentalnih sistemih izven realnega laboratorija oziroma brez

fizične prisotnosti učenca v laboratoriju. Ti pristopi so npr. videoposnetki izvedbe vaj,

virtualni laboratorijski eksperimenti in oddaljeni laboratorijski eksperimenti [38].

Pri uporabi videoposnetkov je glavna pomanjkljivost videa v interaktivnosti, saj učenci ne

morejo pridobiti praktičnih izkušenj, ampak dobijo le vpogled v določeno vajo. Uporaba

virtualnih laboratorijev nudi možnost, da se učenec seznani s teoretičnimi vidiki in izvaja

eksperimente v dvo- ali tridimenzionalnem simulacijskem virtualnem okolju. Vendar so kljub

atraktivnosti slab nadomestek za praktično delo, saj simulacije nikoli ne zajamejo vseh

vidikov realnega sistema, zato se vse bolj uveljavljajo oddaljeni laboratorijski eksperimenti, ki

omogočajo praktično delo na realnih napravah na daljavo. Oddaljeni laboratorij omogoča

izvedbo pravih eksperimentov v realnem času na realni opremi, ki se nahaja na oddaljeni

lokaciji, kjer je povezava uporabnik –eksperiment večinoma izvedena preko spleta [38].

22

5.1 ODDALJENI LABORATORIJ

Oddaljeni laboratoriji so odlična alternativa za delo v realnih laboratorijih, saj učencu

omogočajo dostop do eksperimenta na daljavo, tega pa lahko izvaja na skoraj enak način kot v

laboratoriju v živo. Še najbolj privlačen je vidik časovne in krajevne neodvisnosti, saj do

eksperimenta dostopamo preko spleta. Za izobraževalno institucijo je privlačen vidik zlasti pri

pripravi oddaljenih laboratorijskih eksperimentov, saj lahko sodelujejo z ostalimi

institucijami, to pa pomeni manjše neposredno vlaganje v potrebno tehnologijo [38].

Ravno zaradi razvoja informacijsko-komunikacijskih tehnologij je danes možno omogočiti

učencem visoko stopnjo interaktivnosti in sodelovanje pri izvedbi vaje na daljavo brez

potrebne učenčeve fizične prisotnosti. Tako imajo učenci možnost učenja na daljavo, da se s

tehniškimi sistemi srečajo po individualni didaktični metodi in preko spleta izvajajo vaje na

daljavo neodvisno od časa in kraja in tako rešujejo probleme ter izvajajo eksperimente. Z

didaktičnega vidika tako učenje vključujemo v problemsko učenje in aktivno učenje (angl.

learning by doing). To so v učenca usmerjeni učni procesi, kjer je učitelj le mentor učencem

in jim priskoči na pomoč le po potrebi [38].

Oddaljeni laboratorij omogoča izvedbo realnih eksperimentov v realnem času na realni

opremi preko spleta. Je sicer s stališča razvoja in izvedbe ena najbolj zahtevnih rešitev, ki pa

se na daljši rok obrestuje, saj se vlaga le v eno napravo in eksperiment ter je tako ugodnejše

kot nakup velikega števila laboratorijske opreme za veliko število študentov. Eksperimente

lahko izvedemo s programi, delujočimi na lokalnem računalniku, ali s programi na

oddaljenem strežniku. Z didaktičnega vidika pomeni uporaba oddaljenih laboratorijev za

študenta dostop do eksperimenta 24 ur na dan iz katerekoli lokacije. Še večja prednost pa je,

da lahko vajo v primeru, da ima z njo težave z razumevanjem, ponovi večkrat in bolj

poglobljeno s ciljem, da bolje razume delovanje sistema in njegov odziv. Lahko pa vajo, če jo

razume, naredi hitro. Na tak način je izboljšan učni proces, saj obstaja stalna povezava med

teorijo in prakso, učenci lahko preverijo teoretične osnove in pridobijo potrebne praktične

izkušnje in spretnosti, ki pa so bistvene za študij tehnike. Po drugi strani pa oddaljeni

laboratorij in izvajanje vaj na daljavo nudita enakovredno vključevanje v študijski proces za

osebe s posebnimi potrebami [38].

23

5.2 PREDSTAVITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA

Oddaljeni laboratoriji omogočajo implementacijo informacijsko-komunikacijskih tehnologij

in nadgradnjo tradicionalnih laboratorijskih vaj na izvajanje vaj preko spleta. Med uporabnika

in laboratorij je dodana dodatna plast, ki skrbi za interakcijo med uporabnikom in

laboratorijsko opremo. Ta plast prenaša uporabnikova dejanja do laboratorija, kjer preko

senzorjev zaznava in dvosmerno povezuje uporabnika in laboratorij (slika 5.2) [37].

Slika 5.2: Interakcija uporabnik –oddaljeni laboratorij [37]

Naloga sistema na uporabnikovi strani vsebuje grafični vmesnik, ki uporabniku omogoča

spremljanje eksperimenta in izvajanje operacij v laboratoriju ter posledično manipulacijo z

eksperimentom. Sistem mora zagotoviti povezavo z laboratorijem le z enim uporabnikom

naenkrat [37].

Na strani laboratorijske opreme mora oddaljena infrastruktura vsebovati čutila, preko katerih

sistem zaznava dogajanje v okolici. Vsebovati mora vhodno/izhodne vmesnike,

elektromotorje, stikala, vzvode ipd. Po koncu vsakega eksperimenta zagotovi vrnitev

laboratorijskega dela v začetno stanje (ponastavi sistem in ga pripravi za novega uporabnika)

[37].

24

5.3 PRIMERI ODDALJENIH LABORATORIJEV

Sodobni izobraževalni procesi prinašajo s seboj nove izzive za integracijo informacijske in

komunikacijske tehnologije v učne procese. Zaradi zahtev in potreb po hitrejšem in

učinkovitejšem pridobivanju praktičnih izkušenj se iščejo nove rešitve za izvajanje vaj, ki bi

pritegnile in motivirale učence za dodatno pridobivanje znanja. Vse to se kaže v povečanem

prehodu iz tradicionalnega učenja k e-izobraževanju. Oddaljeni laboratoriji nudijo izvajanje

laboratorijskih eksperimentov v živo na izobraževalni instituciji, kar zmanjša potrebnost

neposredne fizične prisotnosti učenca in povečuje možnosti za izboljšanje znanja učencev za

reševanje določenih tehniških problemov [38].

Prvi oddaljeni laboratoriji so bili namenjeni eksperimentom za robotiko in vodenje sistemov.

Eden prvih je bil razvit leta 1992 v centru za inovacije v izobraževanju v Standfordu (angl.

Stanford Center for innovations in Learning) [39]. Kasneje so se razvili oddaljeni laboratoriji

še za ostala področja. Večina teh laboratorijev uporablja programsko opremo LabView,

razvito s strani podjetja National Instruments, vendar se najde še nekaj laboratorijev s

programsko opremo Cyberlab in PEARL. Večina oddaljenih laboratorijev ima težavo, da

uporabnik nima občutka, kot da upravlja nek eksperiment in da je del laboratorijskega okolja.

Zato so bili razviti drugačni sistemi, eden izmed njih je NetLab. Njegova lastnost je, da ima

dodelan in napreden grafični vmesnik, ki uporabniku omogoča boljšo interakcijo z

eksperimentom. Medtem ko večina ostalih oddaljenih laboratorijev vsebuje le shematiko ali

ukazno vrstico, uporablja NetLab slikovni prikaz opreme, tako da uporabnik lahko vidi, da

premika vzvode [40]. Na Univerzi v Sieni (angl. University of Siena) so razvili zanimiv

oddaljeni laboratorij, imenovan Automatic Control Telelab, ki omogoča uporabniku, da sam

izbere parametre, celo sam dizajnira svoj krmilnik, ob uporabi okolja MATLAB/Simulink

[40].

Pri nas je bil eden takšnih oddaljenih laboratorijev zgrajen na Fakulteti za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru leta 2007 in je namenjen študentom na

področju avtomatike in mehatronike. Študentom in predavateljem ponuja alternativni način

izvajanja rednega učnega procesa oziroma njegovo dopolnitev in rešitev premajhne kapacitete

obstoječega laboratorija in laboratorijske opreme. Oddaljeni laboratorij pokriva praktično

osnovno teorijo s področja modeliranja električnih in mehatronskih naprav, simulacij,

načrtovanja in implementiranja regulacije naprav. Oddaljeni laboratorij temelji na spletnem

25

učnem okolju Moodle, s katerim je poenostavljeno upravljanje z uporabniki in vključevanje

učnih materialov. Ko študent vstopi na začetno spletno stran, mu sistem ponudi vse potrebne

informacije. Vsebuje informacije o samem laboratoriju, opis oddaljenega laboratorija, splošne

napotke za uporabo, prijavo v sistem in potrebne informacije za izvedbo vaj v lastnem okolju.

Dodatno si morajo študentje na svoj računalnik naložiti še okolje LabVIEW za opazovanje

videoposnetkov oddaljenega eksperimenta. Ob prijavi v sistem lahko študent izbere nabor

tečajev, za vsak tečaj pa je pripravljena ustrezna dokumentacija, informacije in seveda

oddaljeni eksperiment, ki se izvaja na realnih napravah. Uporabnik si lahko na spletni strani

rezervira termin izvedbe oddaljenega eksperimenta, tako da ga lahko tisti čas uporablja le on

[38, 39].

26

6 SKLEP

Raspberry Pi je majhen računalnik, ki skriva velik potencial, saj je dobra platforma za manjše

ali večje projekte, kar se lahko vidi že ob manjšem brskanju po spletu, kjer lahko najdemo

veliko število različnih projektov, ki so dobro dokumentirani. Sam računalnik je privlačen

tudi s finančnega vidika, saj lahko z njegovo pomočjo in z nekaj osnovnega znanja o

računalništvu in elektroniki sestavimo nizkocenovne projekte, ki nam lahko olajšajo ali le

popestrijo naš vsakdan. Vendar pa ne smemo pozabiti na osnovno lastnost, zaradi katere je

Raspberry Pi navsezadnje tudi nastal – da ga uporabimo v izobraževalne namene. Raspberry

Pi, kot je v diplomskem delu predstavljeno, je primerna platforma ob uporabi že narejenih

perifernih naprav ali pa če periferno napravo sami izdelamo za učenje osnov računalništva,

programiranja, elektronike, robotike in krmiljenja naprav. Diplomsko delo opisuje le nekatere

možne načine uporabe in le nekatere najbolj uporabljene periferne naprave, ki so le del vseh

možnih, ki jih lahko najdemo na trgu.

Računalnik Raspberry Pi lahko uporabimo za učenje kot samostojno enoto, ki jo uporabimo

kot fizično napravo, na kateri se učenec uči, lahko pa je del nekega sistema, ki nam omogoča

učenje, upravljanje z nekim okoljem. Obstaja veliko sistemov, ki so namenjeni za učenje, med

njimi je uporaba računalnika kot oddaljenega laboratorija. Večina oddaljenih laboratorijev, ki

se uporabljajo za izobraževalne namene, je na voljo le za visokošolsko izobraževanje in

uporabe le-teh ne najdemo pri izobraževanju učencev v osnovnih šolah. Zato je v diplomskem

delu okvirno predstavljen še način implementacije teme v osnovnošolsko izobraževanje pri

naravoslovno-tehniških predmetih, kjer bi lahko sistem uporabili le kot sistem za učenje ali

kot nadgradnjo učnega procesa z induktivnimi metodami učenja, kjer učenci izdelajo in

vzpostavijo delujoč oddaljeni laboratorij. Za lažjo in boljšo mobilnost sistema je predstavljena

uporaba komunikacije s pomočjo mobilnih podatkov. Celoto pa lahko nadgradimo tako, da ji

zagotovimo še neodvisno napajanje od električnega omrežja s pomočjo baterij, sončnih celic

ali kombinacije obojega.

27

VIRI IN LITERATURA

[1] Arduino Uno [https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino]

[2] Raspberry Pi [https://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi ]

[3] Raspberry Pi [https://slo-pi.com/nakup-pripomockov]

[4] USB modem Huawei [http://www.telekom.si/zasebni-uporabniki/mobiteli-in-

naprave/podatkovne-naprave/predplacniski-mobilni-internet-sim-kartica-in-usb-modem-

huawei-e3372h-bonus-14-dni-interneta ]

[5] Pokritost in moč mobilnega omrežja [http://www.telekom.si/pomoc-in-podpora/teme-

pomoci/pokritost-in-dostopnost/pokritost-mobilnega-omrezja ]

[6] Brezžični usmerjevalnik [http://www.telekom.si/zasebni-uporabniki/mobiteli-in-

naprave/podatkovne-naprave/huawei-e5577s ]

[7] Wi-Pi mrežna kratica [https://slo-pi.com/narocilo-wipi]

[8] A. Tanenbaum: Computer Networks, 4rd ed., Prentice Hall (2002)

[9] Raspberry Pi Shield [https://www.cooking-hacks.com/shop/raspberry-pi/shields ]

[10] Raspberry Pi kamera [https://slo-pi.com/narocilo-raspberry-pi-kamere ]

[11] DHT-22 čutilnik [http://www.instructables.com/id/How-to-use-DHT-22-sensor-Arduino-

Tutorial/ ]

[12] Sainsmart izdelki za Raspberry Pi [http://www.sainsmart.com/raspberry-pi.html]

[13] Čutilnik za pline MQ-2 [https://www.amazon.com/Wavesahre-MQ-2-Gas-Sensor-

Detection/dp/B00NJOIB50?tag=wireleshackt-20 ]

[14] S. Kocijančič, Elektronika 2-študijsko gradivo za študente Pedagoške fakultete (Univerza

v Ljubljani, PEF, 2015)

[15] Operacijski sistem Raspbian [https://www.raspbian.org/]

28

[16] J. Demšar, Python za programerje (Univerza v Ljubljani, Fakulteta za računalništvo in

informatiko, 2009).

[17] Podatkovna baza MySQL [https://en.wikipedia.org/wiki/MySQL ]

[18] Podatkovna baza SQLite [https://en.wikipedia.org/wiki/SQLite]

[19] Kdaj uporabiti podatkovno bazo SQLite [https://www.sqlite.org/whentouse.html ]

[20] Zakaj uporabiti MySQL [http://www.mysql.com/why-mysql/ ]

[21] Raspberry Pi fundacija [https://www.raspberrypi.org/blog/announcing-our-million-

pound-education-charity-fund/ ]

[22] Pripravljeni projekti poučevanja z Raspberry Pi računalnikom

[https://www.raspberrypi.org/resources/teach/ ]

[23] M. Richardson in S. Wallace, Getting Started with Raspberry Pi (Maker Media, inc.,

2012)

[24] Raziskovanje izobraževanja računalništva v Indiji

[https://www.raspberrypi.org/blog/exploring-computing-education-in-rural-schools-in-india/ ]

[25] Picademy [https://www.raspberrypi.org/blog/picademy-questions-answered/]

[26] Projekti krmiljenja in robotike [https://www.raspberrypi.org/blog/tag/robots/]

[27] CNC kmetijski stroj [https://www.raspberrypi.org/blog/farmbot-open-source-cnc-

farming-robot/]

[28] Samovozno vozilo [https://www.raspberrypi.org/blog/self-driving-car/]

[29] Poletna šola FRI [http://www.fri.uni-lj.si/si/izobrazevanje/poletna_sola/]

[30] H. Guerra in ostali, Demonstration of Programing in Python using a remote lab with

Raspberry Pi, Centre ALGORITMI of the University of Minho, University of Azores, Centre

for Informatics and Systems of the University of Coimbra, Department of Informatics

Engeeniring, University of Coimbra, Portugalska (2015)

[31] J. Sobota in ostali, Raspberry Pi and Arduino board in control education (University of

West Bohemia in Pilsen, Češka republika, 2013)

29

[32] Raspberry Pi tekmovanje [http://www.paconsulting.com/events/raspberry-pi-

competition/ ]

[33] M. Fakin in ostali, Učni načrt – Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za

šolstvo, znanost in šport, Zavod RS za šolstvo,2011)

[34] J. Pahor in ostali, Učni načrt – Elektronika z robotiko (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo,

znanost in šport, Zavod RS za šolstvo,2005)

[35] S. Kocijančič in ostali, Učni načrt – Robotika v tehniki (Ljubljana, Ministrstvo za

šolstvo, znanost in šport, Zavod RS za šolstvo,2002)

[36] V. Batagelj in ostali, Učni načrt – Izbirni predmet Računalništvo (Ljubljana, Ministrstvo

za šolstvo, znanost in šport, Zavod RS za šolstvo,2002)

[37] What are remote laboratories? [https://remotelaboratory.com/remote-laboratories/what-

are-remote-laboratories/ ]

[38] A. Rojko in ostali, Učinkovitost oddaljenih laboratorijev za poučevanje na področju

tehnike, Vzgoja in izobraževanje v informacijski družbi, 11. Mednarodna multi-konferenca

Informacijska družba (2008), str. 254-266.

[39] D. Hercog in ostali, A DSP-Based Remote Control Laboratory ( IEEE Transactions on

industrial electronics, vol. 54, no. 6, December 2007)

[40] Z. Nedic, J. Machotka in A. Nafalski, Remote laboratories versus virtual and real

laboratories (University of South Australia, School of Electrical and Information

Engineering, 2003)